Energia-metaketa: erredox orekatik baterietara

Transcript

1 Energia-metaketa: erredox orekatik baterietara Paula Serras Verónica Palomares ISBN: EUSKARAREN ARLOKO ERREKTOREORDETZAREN SARE ARGITALPENA Liburu honek UPV/EHUko Euskararen Arloko Errektoreordetzaren dirulaguntza jaso du

2 AURKIBIDEA A.1. ELEKTROKIMIKAREN OINARRIAK: ERREDOX OREKA Oxidazio-zenbakiak Oinarri nagusiak: oxidazioa eta erredukzioa Pila galbanikoak: prozesu espontaneoa Elektrodo potentziala Elektrolisia: prozesu ez-espontaneoa A.2. ENERGIA-METAKETA GIZARTEAN Zertarako metatu nahi dugu energia? Energia-metaketa motak A.3. BATERIAK Definizioa Egitura eta ezaugarriak Bateria motak: primarioak eta sekundarioak Prozesu elektrokimikoaren zinetika eta polarizazioa Bateriaren lan-tentsioa Bateria baten errendimenduan eragina duten parametroak: Bateria baten balio-bizitza A.4. BATERIEN GAUR EGUNGO APLIKAZIOAK Bateria primarioak Bateria sekundarioak Ariketak..40 Liburu interesgarri batzuk... 42

3 1 A.1. ELEKTROKIMIKAREN OINARRIAK: ERREDOX OREKA Elektrokimika da energia elektrikoaren eta energia kimikoaren arteko konbertsioa ikasten duen kimikaren arloa. Prozesu elektrokimikoak oxidazio-erredukzio erreakzioak dira. Oxidazio-erredukziozko erreakzioak (laburki, erredox erreakzioak) garrantzi praktiko berezia duten transformazio kimiko ugari hartzen ditu barnean; esaterako, substantzia askoren errekuntza, metalen oxidazioa airean, prozesu elektrolitikoak, piletako energia elektrikoaren ekoizpena, etab. Gainera, gaur egun, oxidazio eta erredukzio kontzeptuak ez dira soilik oxigenoaren kopuruarekin erlazionatzen, baizik eta elektroi-transferentziarekin ere bai. Prozesu elektrokimikoak erredox erreakzioak dira, non erreakzio espontaneo batean askatzen den energia elektrizitate bihurtzen baita. Aldiz, erreakzio kimiko ez-espontaneoa bat gerta dadin energia elektrikoa erabili behar da. Azken horri elektrolisi deritzo Oxidazio-zenbakiak Oxidazio-zenbakia da taula periodikoko elementu batek konposatu batean edukiko lukeen karga, baldin eta konposatu hori ioi positiboz eta negatiboz osatuta egongo balitz. Hau da, elementuen balentziarekin erlaziona daiteke oxidazio-zenbakia, eta elementu bakoitzak balentzia edo karga bat baino gehiago eduki dezake. Elementuaren sinboloaren gainean idazten da oxidazio-zenbakia, +n edo n adierazpenarekin. 1. taula honetan agertzen dira oxidazio-zenbakiak izendatzeko erabiltzen diren arauak: 1. taula. Elementuen oxidazio-zenbakiak izendatzeko arauak. Elementua Ox. zenbakia Elementu askeak (konbinatu gabeak): H 2, F 2, Cl 2, N 2, O 2, Na, Be, K 0 Metal alkalinoak (1 taldea): Li, Na, K +1 Metal lurralkalinoak (2 taldea): Ca, Be, Mg +2 Halogenoak (17 taldea): F, Cl -1 Molekula bat osatzen duten oxidazio-zenbakien konbinaketak ematen duen kargak molekula edo ioi horren kargaren berdina izan behar du. Hidrogenoa: Konposatu gehienetan: H 2 O, H 2 SO 4, HCl +1 Hidruro metalikoetan: NaH, CaH 2-1 Oxigenoa: Konposatu gehienetan: H 2 O, H 2 SO 4, CO 2-2 Peroxidoetan: H 2 O 2, K 2 O 2-1 Liburu honek UPV/EHUko Euskararen Arloko Errektoreordetzaren dirulaguntza jaso du

4 2 2. irudia. Elementuen taula periodikoa. Liburu honek UPV/EHUko Euskararen Arloko Errektoreordetzaren dirulaguntza jaso du

5 Oinarri nagusiak: oxidazioa eta erredukzioa Konposatu ionikoen eraketan, oxidazio-erredukzio erreakzioak ezaugarritzen ditu bi elementuren arteko elektroi-transferentziak. Oxidazio erdi erreakzioan elektroiak galdu egiten dira, eta erredukzio erdi erreakzioan irabazi. Oxidazio-erreakzio batek beti behar du erredukzio-erreakzio bat, eta horregatik dira erdi erreakzioak. Gainera, oxidatzen den konposatuari erreduktore deritzo, eta erreduzitzen denari oxidatzaile. GOGORATU! Oxidazioa: e - = oxidazio-zenbakia Erredukzioa: e - = oxidazio-zenbakia Ikus dezagun honako kasu hau: H 2 (g) + Cl 2 (g) 2 HCl Sortu den produktua (HCl) aldibereko bi erdi erreakzioetan gertatutako elektroitransferentziaren emaitza da. Hori irudikatzeko, lehenik eta behin, erreakzioan parte hartzen duten konposatu guztien oxidazio-zenbakiak adierazi behar dira: H 2 (g) + Cl 2 (g) 2HCl erredukzioa oxidazioa Gero, bi erdi erreakzioetan deskonposatu beharko litzateke erreakzio globala. Horrela, hidrogeno elementuaren oxidazio-zenbakia 0-tik +1-era handitzen dela ikus daiteke, eta, beraz, elektroi kopurua txikitu: H 2 (g) 2H + + 2e - Horregatik, oxidazio erdi erreakzioa izango litzateke hori. Gainera, H 2 (g)-a oxidatzen ari denez, erreduktorea izango litzateke bera. Aldiz, kloroaren kasuan, oxidazio-zenbakia txikitu egiten da 0-tik -1-era, eta, beraz, elektroi kopurua handitu. Erredukzio erdi erreakzioa izango litzateke hori. Kasu horretan, erreduzitzen den konposatua da Cl 2 (g), eta, beraz, hori izango da oxidatzailea. Cl 2 (g) 2 Cl - - 2e - H + eta Cl - ioiak HCl produktuaren disoziaziotik datoz; hau da, HCl H + + Cl - Bi erdi erreakzioak gehitzean, erreakzio globala lortzen da: H 2 (g) + Cl 2 (g) 2HCl + 2e - - 2e -

6 4 ADI!! Erreakzio globalean ezin da elektroirik agertu; beraz, oxidazio eta erredukzio erdi erreakzioen batuketak elektroien konpentsaketa ekarri behar du. Elementuen kopuruak ere doituta egon behar du. Ikus 1. adibidea. 1. adibidea: oxidazio-erredukzioko ekuazioen doiketa

7 Pila galbanikoak: prozesu espontaneoa Pila galbanikoak edo pila voltaikoak dira energia kimikoa energia elektriko bihurtzen duten gailuak. Horretarako, ezinbestekoa da erreakzio kimikoa espontaneoa izatea. Gainera, kanpo-zirkuitu bat behar da erredox erreakzioan jokoan dauden elektroiak bertatik igaro daitezen, eta, horrela, elektrizitatea aprobetxa dadin. 3. irudian agertzen dira pila galbaniko baten osagai nagusiak: 3. irudia. Pila galbaniko baten osagai nagusiak. Bi erdi zelda (1 eta 4) kontaktuan daude eroale metaliko batez (2 eta 5) eta gatz-zubi batez (7). Erdi zelda bakoitza elektrodo (2 eta 5) eta elektrolito (3 eta 6) batez osatua dago. o Oxidazioa gertatzen den elektrodoa anodoa da, eta erredukzioa gertatzen den elektrodoa katodoa. Elektroiak anodotik katodora mugitzen dira (8). o Gatz-zubiak (7) elektrolito bat darama, eta honako zeregin hauek ditu: - Zirkuitua ixtea. - Kargak konpentsatzea. - Disoluzioak ez nahastea. Gatz-zubian dagoen elektrolitoak inertea izan behar du, ioi eroalea eta elektroi isolatzailea. Bi elektrodoen artean potentzial-diferentzia bat sortzen da (9), eta horri deritzo indar elektromotriza (fem) edo zeldaren potentziala (E). Voltetan neurtzen da hori. ADI!! Erredox erreakzioa erdi zeluletan bananduko ez balitz (gatz-zubi edo mintz porotsu batez) ez lirateke aprobetxatuko erreakzioan jokoan dauden elektroiak. Horrela, ezinbestekoa da bi erdi zeldak elektroi isolatzailea den elektrolito batez bananduta egotea, elektroiak kanpo-zirkuitutik pasa daitezen. Horretarako, gainera, erdi zelda bakoitzak elektrodo eroale bat izan behar du.

8 6 4. irudian agertzen da pila galbanikorik ezagunenetako bat: Daniell pila. Anodoan, oxidazioa gertatzen da. Zink metalikoa (Zn) oxidatu egiten da; oxidazio-zenbakia handitu (Zn +2 ) eta, era berean, bi elektroi galtzen dira. Elektroiak kanpo-zirkuitutik katodora iristen dira, eta Zn +2 disoluzioan gelditzen da. Katodoan, erredukzioa gertatzen da. Erdi zelda katodikoan dagoen kobre disoluzioak (Cu +2 ) anodotik datozen bi elektroiak hartzen ditu, eta kobre metaliko (Cu (s)) bihurtu. Bi erdi erreakzioen baturarekin, honako erreakzio global hau lortzen da: 4. irudia. Daniell pilaren eskema. Horrela, erreakzioa gertatzen den heinean, zink metalikoz osaturiko anodoa desagertzen joango da, eta kobre metalikoa ezartzen joango da katodoan. Erreaktiboak bukatzen direnean, hau da, zink metalikoa (Zn) anodoan edo kobre disoluzioa (Cu +2 ) katodoan, erreakzioa gelditu egingo da. ADI!! Anodoa nahitaez zink metalikoz egon behar du osatuta. Aldiz, katodoa edozein metal edo eroale inerte izan daiteke, hori ez baita erreakzioaren erreaktibo. Normalean, kobre metalikoa izaten da, gainean ezarriko zaion geruza kobre metalikoa izango delako, baina ez da nahitaezkoa. Daniell pilaren eskema adierazteko, honako idazkera hau erabiliko litzateke: Bideo linka Daniell pila galbanikoaren funtzionamendua (ingelesez)

9 7 GOGORATU! Pila mota asko daude, baina guztiek ezaugarri nagusi berdinak dituzte Elektrodo-potentziala Elektrodo bakar baten potentziala ezin da neurtu. Erreferentzia-elektrodo bat behar da potentzial-diferentziak neurtzeko, eta, normalean, hidrogenoa erabiltzen da erreferentzia gisa. Kasu hauetan, erreferentzia honen potentziala zero da eta, beraz, erraz kalkula eta erabil daiteke beste elektrodoaren potentziala. Hurrengo adibideetan (2. eta 3. adibideak), elementu baten potentziala lortzeko erabiltzen den muntaia erakusten da. Lehenengo kasuan, katodoan kokatzen da erreferentzia den hidrogenoa (bertan H + /H 2 erredukzioa gertatzen da), eta anodoan kalkulatzen da Zn/Zn +2 bikotearen potentziala (bertan, oxidazioa gertatzen da). Bigarrenean, anodoan kokatzen da hidrogenoa (H 2 /H + ), eta katodoan lortzen da Cu +2 /Cu bikotearen potentziala. Bi kasuetan, voltimetroak ematen duen balioa da hidrogenoaren eta kalkulatu nahi den potentzialaren arteko potentzial-diferentzia, eta, hidrogenoaren balioa 0 V denez, erraz lor daiteke beste bikotearen tentsioa. Hala ere, kontuan eduki behar da ERREDUKZIO-potentzialak lortu nahi direla, horiek agertuko baitira gero ondorengo datu-tauletan. Beraz, kontuz ibili behar da zeinuarekin!

10 8 2. adibidea: zinkaren ERREDUKZIO-potentzial estandarraren neurketa (Zn +2 /Zn): 3. adibidea: kobrearen ERREDUKZIO-potentzial estandarraren neurketa (Cu +2 /Cu): ADI!! Erreakzio espontaneo batean, potentziala beti izango da positiboa, hau da: E > 0 V.

11 9 GOGORATU! Zelda baten potentziala bere elektrodoen potentzialen gehiketa da. Erreakzio globala = bi erdi zelulen gehiketa Baina KONTUZ!! Bi modutara kalkula daiteke zeldaren potentzial globala. Erreaktiboak estandar egoeran badaude (1M ioientzat eta 1 atm gasen P partzialarentzat) zeldaren potentziala estandarra izango da, eta horrela adierazten da: E 0 zelda Kondizio ez- estandarretan, Nernsten ekuazioa erabili behar da Elektrolisia: prozesu ez-espontaneoa Elektrolisia da erredox erreakzio ez-espontaneo bat gerta dadin energia aplikatzearen prozesua. 5. irudi eta taula honetan agertzen dira pila baten eta zelda elektrolitiko baten arteko diferentzia garrantzitsuenak. Energia elektrikoak erreakzio Erreakzio espontaneoak ez-espontaneoa eragiten du. energia elektrikoa sortzen du. Elektrolito bakarra dago. Bi elektrolito daude. Anodoa polo positiboa da eta Anodoa polo negatiboa da eta katodoa negatiboa. katodoa positiboa. 5. irudia. Pila eta zelda elektrolitiko baten diferentziak.

12 10 6. irudian ikus daitekeen moduan, metalen elektrodeposizioa eta metalen birfintzea dira elektrolisiaren aplikaziorik aipagarrienak. Metalen elektrodeposizioaren kasuan (6a. irudia), metal konkretu bat erabiltzen da anodoan. Katodoan, anodoan dagoen metalarekin estali nahi den objektua erabiltzen da elektrodo, eta elektrizitatearen aplikazioaren bidez eragiten da espontaneoki gertatzen ez den erreakzioa. Metalen birfintzearen kasuan (6b. irudia), metal ez-purua anodoan ezartzen da elektrodo, eta purua den metal berdinaren xafla bat erabiltzen da katodoan. Horrela, energia aplikatzean, soilik metalaren deskonposaketa (anodoan) eta metalaren sorrera (katodoan) gertatuko da, ez-purutasunak alde batera utziz. a) b) 6. irudia. a) Metalen elektrodeposizioa eta b) metalen birfintzea. A.2. ENERGIA-METAKETA GIZARTEAN 2.1. Zertarako metatu nahi dugu energia? Energia elektrikoa da, gaur egungo bizimodurako, energia garrantzitsuenetakoa. Pentsaezina iruditzen zaigu energia elektrikorik gabe bizitzea. Gure inguruko gailu gehienek korronte elektrikoaren beharra daukate, eta beste asko metatutako energiaz baliatzen dira autonomia izan dezaten (mugikorrak, ordenagailu eramangarriak, etab.). Energia elektrikoa bide desberdinetatik lor daiteke, baina bi dira oinarrizkoenak. Energia berriztagarriak eta ezberriztagarriak. Hala ere, egun, oraindik material erregaiak erabiltzen dira gehien energia elektrikoa lortzeko, eta horrek kutsadura handitzea dakar, batez ere CO 2 berotegi-efektuko gasaren ondorioz. Energia berriztagarria, aldiz, agorrezina da (adibidez, eguzki-energia, energia hidroelektrikoa, energia eolikoa, etab.) eta ez dago berotegi-efektuko gasen kutsadurarik. Energia berriztagarrien eragozpen handienetariko bat da, ordea, energia ez

13 11 dela beti behar den mementoan sortzen. Hau da, eskaintza eta eskaria ez datoz beti bat eta, beraz, beharrezkoa da energia metatzea arazo horri aurre egiteko (ikus 7a. irudia). Energia metatzeko erabiltzen diren gailuak bateria sekundarioak edo superkondentsadoreak izaten dira; 2.2. atalean azalduko ditugu, laburki, bi gailu horien diferentzia garrantzitsuenak. a) b) 7. irudia. a) Energia lortzeko eta erabiltzeko moduak. b) Errekuntza-motorra, erregai-pilak eta auto elektrikoen ezaugarriak. Bestalde, autoak autonomia duten garraiobidetzat har ditzakegu eta auto elektrikoaren kasuan, gailu baten beharra dago energia metatzeko (ikus 7b. irudia). Autoak, oro har, hiru motatakoak izan daitezke: errekuntza-motorra erabiltzen dutenak, erregai-pilekin funtzionatzen dutenak, eta elektrikoak. Azken horiek ere hibridoak izan daitezke, baina atal honetan ez dira sakonduko ezberdintasun horiek. 7b. irudian ikus daitezke, eskematikoki, hiru auto mota horien ezaugarri nagusiak. Errekuntza-motorra eta erregai-pilak erabiltzen dituzten autoek erregai baten beharra dute, baina energia elektrikoa lortzeko bidea desberdina da; erregai-pilen kasuan, energia kimikotik zuzenki lortzen da energia elektrikoa. Gainera, bigarren horietan erregaia hidrogenoa izan daiteke eta, beraz, horren errekuntzak ez luke CO 2 -rik sortuko. Erregai-pilak gailu elektrokimikoak dira, eta anodo, katodo eta elektrolito baten beharra daukate funtzionatzeko. Funtzionatzeko behar duten erreaktiboa erregai bat da kasu horretan, eta nahi haina aldiz birkarga daiteke hori. Auto elektrikoaren kasuan, energia elektrikoa lortzeko erabiltzen den gailua bateria sekundarioa izaten da. Energia kimikoa energia elektriko bihurtzen da bateria deskargatzen ari denean, eta alderantzizko erreakzioa gertatzen da bateria kargatzen denean.

14 12 ADI!! Bateria deritzo pila askoren pilaketari. Bateria edo pilak primarioak edo sekundarioak izan daitezke. Primarioek erredox erreakzio bati esker lortzen dute energia elektrikoa, eta behin bakarrik gertatzen den deskarga-prozesua da. Bateria sekundarioak, ordea, behin eta berriz kargatu daitezkeen pilak edo bateriak dira. Deskarga-prozesuan espontaneoki gertatzen den erreakzio kimikoak energia elektrikoa sortzen du, eta kargan, berriz, energia elektrikoa aplikatu behar zaio hasierako egoerara itzul dadin. Bideo-linka Hidrogeno erregai-pila baten funtzionamendua (ingelesez) 2.2. Energia-metaketa motak Bateria sekundarioak eta superkondentsadoreak dira energia elektrikoa metatzeko erabiltzen diren gailurik ezagunenak. Superkondentsadoreek transformazio fisikoa erabiltzen dute energia elektrikoa metatzeko, hau da, ez da erredox erreakziorik gertatzen; aldiz, bateria sekundarioetan edo birkarga daitezkeen baterietan, erredox erreakzioen bidez metatzen da energia elektrikoa. 2. taulan aurkezten dira diferentzia aipagarrienak. 2. taula. Bateria sekundarioen eta superkondentsadoreen arteko diferentzia garrantzitsuenak. Bateria sekundarioak Superkondentsadoreak Metaketa kimikoa Metaketa fisikoa Energia-metaketa handia Energia-metaketa txikia (azaleran bakarrik) Energia-dentsitate handia Potentzia-dentsitate handia ADI!! Oro har Energia metatzeko: bateria sekundarioak eta superkondentsadoreak Energia sortzeko: erregai-pilak A.3. BATERIAK 3.1. Definizioa Bateria da energia kimikoa energia elektriko bihurtzeko gai den sistema elektrokimikoa.

15 13? Ba al zenekien? «Bateria» terminoa Benjamin Franklin-ek erabili zuen lehengo aldiz kanoigintzan erabiltzen zen tresna bat izendatzeko (ikus 8. irudia). Energia lortzeko kondentsadore multzo bat zen Franklinen bateria (Leyden botilak), eta multzoekin lotuta dago bateria terminoaren ohiko esanahia. Geroago, Humphrey Davy-k zelda galbaniko multzo bat izendatzeko erabili zuen «bateria» terminoa. Hortik aurrera, bateriak ere esaten zaie zelda galbanikoei. 8. irudia. Leyden botilez egindako «bateria elektrikoa». Benjamin Franklinek izendatu zuen lehenengo aldiz «bateria» izenarekin ( ) Egitura eta ezaugarriak Esan bezala, bateria batek energia kimikoa energia elektriko bihurtzen du. Transformazio hori erredox erreakzioen bidez egiten da, eta katodo eta anodo deritze erreakzionatzen duten osagaiei. Era honetan, honako hauek dira bateria batean bereizten diren elementu nagusiak: - Anodoa: espezie erreduzitzailea izanez, elektroiak erraz askatuko ditu kanpoko zirkuitura. - Katodoa: espezie oxidatzailea izango da, hau da, erraz erreduzituko dena kanpoko zirkuituaren bidez anodotik datozen elektroiak hartuz. - Elektrolitoa. Bi baldintza bete behar ditu elektrolito on batek, hots, eroankortasun ioniko ona erakustea eta isolatzaile elektrikoa izatea. Eroankortasun ionikoa kargak orekatzeko eta, litio edo sodio-ioi baterietan adibidez (geroago ikusiko dugunez), garrantzitsua da erredox prozesua sustatzeko. Gainera, elektrolitoak isolatzaile elektrikoa izan behar du elektroiak kanpoko zirkuitutik bidaiatzeko. Hori horrela izango ez balitz, anodoak askatzen dituen elektroiak zuzen joango lirateke katodora elektrolitoaren bidez, eta kanpo-zirkuitutik ez litzateke korronte elektrikorik lortuko, hau da, ez litzateke energia elektrikorik ekoitziko. - Bereizgailua (separadorea). Normalean, elektrolitoak likidoak izaten direnez, bereizgailu bat jarri behar da bi elektrodoak kontaktuan ez egoteko. Horrela, banagailua material inertea eta mikroporotsua izaten da, adibidez, polipropilenoa edo beira-zuntza, elektrolitoz hobeto bustitzeko. 1

16 14 - Korronte kolektoreak. Elektrodoek kanpoko zirkuiturako dituzten kontaktuak dira, eta materialak eroaleak baina elektrokimikoki inerteak izan behar dira bateriaren funtzionamendu-baldintzetan. 9. irudia. Bateria baten eskema sinplea, deskargaprozesuan zehar Bateria motak: primarioak eta sekundarioak Nagusiki bi bateria mota bereizten dira: primarioak eta sekundarioak. Primarioak erabilera bakarreko pilak edo bateriak dira, hau da, behin agortuta ezin dira berriro erabili gertatzen diren erreakzio kimikoak itzulezinak direlako. Bestalde, bateria sekundarioak deskargatu ondoren berriro karga daitezke, erreakzio kimiko itzulgarriak gertatzen direlako. Horrela, bateria sekundarioek balio-bizitza luzeagoa erakusten dute Prozesu elektrokimikoaren zinetika eta polarizazioa Baterietan gertatzen diren prozesu elektrokimikoetan, honako modu honetan mugitzen dira karga elektrikoak: - Elektroiak kanpoko zirkuitutik mugitzen dira. - Elektrodo/elektrolito interfasean, karga-transferentzia gertatzen da. - Elektrolitoan ioi-fluxua gertatzen da. - Tartekatze-elektrodoetan, ioi-mugimendua gertatzen da material katodikoaren edo anodikoaren barnean. Oro har, bateria bat funtzionatzen ari denean, kanpoko zirkuitutik doa elektroi-korrontea, eta bateria barruan gertatzen da ioi-fluxua. Bi fenomeno horietatik, elektroien mugimendua da azkarrena, elektroiek ioiek baino masa txikiagoa daukatelako. Horregatik, ioien difusioa kontrolatzen duen mekanismoa izango da fenomeno mugatzailea. Kanpo-zirkuitutik anodotik katodora doazen elektroiak ioiak baino lehenago iritsiko dira, eta, beraz, katodoan, karga

17 15 negatibo pilatze txiki bat sortuko da. Horri polarizazio deritzo, eta bateriaren barneerresistentzia mota bat da Bateriaren lan-tentsioa Tentsio-kapazitate grafiketan adierazten da bateria baten funtzionamendua. Adibidez, LiFePO 4 katodo eta litio metalikozko anodo batek osatzen dute 10. irudian erakusten den bateria, eta horren lan-tentsioa 3.45 V-koa da. Karga-prozesuan tentsioa igo egiten da, 3.45 V- tan denbora luzez egonkor mantenduz, eta deskargatzean kontrako prozesua ikus daiteke. Bateria mota horiek gutxi gorabehera tentsio egonkorra eskaintzen dute. Tentsio horri lantentsio deritzo, eta bateriaren erreakzio kimikoen menpe dago. a) 10. irudia. LiFePO 4 -Li bateria b) baten a) karga eta b) deskarga Bateria baten errendimenduan eragina duten parametroak Energia metatzeko bateria baten kapazitatea da bateria batek gorde edo aska dezakeen energia kopurua, eta unitate desberdinen bidez adierazten da. Material aktiboaren masarekin edo bolumenarekin erlazionatzen da unitate horien bidez sortzen den edo beharrezkoa den korronte elektrikoa. Hots,

18 16 Kapazitate grabimetrikoa (Ah/kg) Material aktiboaren masarekiko zeldak eskaintzen duen karga da. Zenbait aplikaziotan, oso garrantzitsua da energia/pisua erlazioa handia izatea; adibidez, taupada-markagailu, erloju, telefono mugikor edo ordenagailu eramangarrietan. Kapazitate bolumetrikoa (Ah/dm 3 ) Material aktiboaren bolumenarekiko zeldak eskaintzen duen karga da. Energia-erreserba geldikorretan, adibidez, pisua baino garrantzitsuagoa da tokia edo espazioa aurreztea. Hala ere, hurrengo unitate hauen bidez adierazten da zelda elektrokimiko batek askatzen duen energia erreala: Energia-dentsitate grabimetrikoa (Wh/kg) Kapazitate grabimetrikoaren eta zeldaren tentsioaren arteko biderkadura da. Energia-dentsitate bolumetrikoa (Wh/dm 3 ) Kapazitate bolumetrikoaren eta zeldaren tentsioaren arteko biderkadura da. Karga/deskarga abiadura C-abiadurak adierazten du bateria bat kargatzeko edo deskargatzeko erabiltzen den ordu kopurua. Adibidez, bateria bat deskargatzeko C/10 abiadura erabiltzen bada, horrek esan nahi du material aktiboa deskargatzeko 10 ordu behar dituela, eta hori gertatzeko behar den intentsitatea kalkula daiteke (ikus 4. adibidea). 4. adibidea: Bateria baten kapazitatea 1150mAh-koa bada, eta kargatzeko C/5 abiadura erabili nahi bada: -ko intentsitatea aplikatu beharko zaio. Oro har, horrela adierazten da karga/deskarga prozesuetan erabiltzen den C-abiadura: C/h, non h bateria guztiz kargatzeko edo deskargatzeko behar den ordu kopurua baita (ikus 3. taula). 3. taula. Kargan eta deskargan erabiltzen diren C- abiadura desberdinak. C-abiadura Kargatzeko/deskargatzeko denbora C/40 40 ordu C/20 20 ordu 1C ordu 1 5C 10C 1/5 ordu= 12 minutu 1/10 ordu= 6 minutu

19 17 Karga- eta deskarga-abiadura azkarretan (5C edo 10C adibidez), askoz handiagoa da elektroien eta ioien arteko mugitzeko gaitasun-diferentzia, eta, beraz, polarizazioa ere handiagoa izango da. Fenomeno zinetiko hori dela eta, deskargan zehar txikiagotu egiten da bateriaren tentsio erreala eta, aldiz, karga-prozesuan zehar handiagotu egiten da. Polarizazioak, hau da, zeldaren barneko erresistentziak, kargaren eta deskargaren arteko boltai-diferentzia sortzen du (ikus 11. irudia). Aldi berean, kapazitate espezifikoa txikitzen du abiadura azkarrek sortzen duten polarizazioak. 11. irudia. LiFePO 4 -Li bateria baten polarizazioa. Tenperatura Tenperaturak aldatu egiten du elektrodoetan gertatzen diren erreakzioen abiadura, eta, beraz, eragina dauka baterien energia-dentsitatean ere. Horrela, tenperatura baxuekin erreakzio elektrokimikoak moteldu egiten dira, eta, ondorioz, polarizazioa handitu eta zeldaren tentsioa gutxiagotu. Hori dela eta, gailu elektronikoek jokaera ez-egokiak erakusten dituzte tenperatura baxuekin.? Ba al zenekien? Ez zara inoiz konturatu neguan, mendira joatean, argazki-kamerak bateria baxua markatzen duela, eta etxera bueltatzean, kargatu gabe, berriro bateria geratzen dela? Tenperatura oso baxuekin zeldaren erresistentzia handiegia da ondo funtzionatzeko, baina giro-tenperaturara bueltatzean berriro ere badabil bateria. Bestalde, tenperatura altuek ere arazoak sortzen dituzte, kapazitatea mugatzen duten erreakzio parasitoak areagotu egiten direlako. Erreakzio parasito horiek dira elektrolitoaren eta materia aktiboaren arteko erreakzioak, eta ez dute energiarik sortzen materia kontsumitzeaz gain. Tenperatura baxuen eragina denboraldikoa izaten da; tenperatura altuetakoa, aldiz, iraunkorra, erreakzio parasito horiek bateriaren materialak kontsumitzen dituztelako.

20 18 Autodeskarga Batzuetan, bateria funtzionamenduan ez dagoenean, hau da, zirkuitu irekian dagoenean, gerta daitezke elektrodoen edo elektrodo baten eta elektrolitoaren arteko erreakzioak. Erreakzio horiek elektrodoak kontsumitu eta, batzuetan, produktu disolbaezinak sortzen dituzte. Produktu horiek bateriaren erresistentzia handiagotu dezakete, edota elektrodoa babestuko duen geruza bat sortu. Bateriaren autodeskarga-abiadura zeldaren erreakzio kimikoen menpe dago, baina, oro har, tenperatura altuek autodeskarga-erreakzioak bizkortzen dituzte. Hori dela eta, komenigarria da bateriak, behin eraikita, tenperatura baxuetan mantentzea Bateria baten balio-bizitza Bateria primarioak, hau da, behin deskargatuz agortzen direnak, erabilera bakarrekoak dira. Bateria sekundarioak, aldiz, behin baino gehiagotan erabil daitezke, eta bi modutan neur daiteke horien balio-bizitza: kronologikoki (erabilitako hilabeteak, urteak, etab.) edo egindako karga/deskarga ziklo kopuruaren bidez (ziklabilitatea). Ziklabilitatea izaten da bateria baten hasierako kapazitatea edo energia-dentsitatea % 75 edo % 80 baino gutxiagora jaisten duten ziklo kopurua. Parametro hori zeldaren erreakzio kimikoen eta zeldaren erabileraren menpe dago. Esaterako, bateriaren balio-bizitza asko txikiagotzen dute deskarga sakonek eta gainkargek, eta, beraz, ziklo gehiago behar diren arren, gomendagarriagoa da deskarga arinak egin eta askotan kargatzea. A.4. BATERIEN GAUR EGUNGO APLIKAZIOAK Bateriak erreakzio kimikoen arabera sailka daitezke. Horrela, hainbat bateria mota ikus daitezke 12. irudi honetan: 12. irudia. Baterien sailkapena kimikaren arabera.

21 19 Ondoren, bateria mota bakoitzaren ezaugarri kimikoak eta beren funtzionamendua azalduko dira. Bateriak adierazteko erabiltzen den eskema hobeto ulertzeko, kolore-kode bat erabiliko da: anodoa osatzen duten osagaiak urdinez idatziko dira, elektrolitoa laranjaz, eta katodoa berdez Bateria primarioak a) Karbono-zink pila lehorra Honako hau da bateria honen eskema, eta V-ko tentsioa aurkezten du: Zn(s)/Zn(OH) 2 (aq)/zncl 2 (aq)/mnooh(s)/mno 2 (s) Honako erreakzio kimiko hauek gertatzen dira: ANODOA: Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2e - KATODOA: MnO 2 (s) + H 2 O (l) + e - MnOOH (s) + OH - (aq) ERREAKZIO GLOBALA: Zn(s) + 2MnO 2 (s) + 2H 2 O (l) Zn(OH) 2 (aq) + 2MnOOH (s) Karbonoa katodoan kolektore elektriko gisa agertzen da, eta MnO 2 -arekin nahastuta egoten da (ikus 13. irudia). Bereizgailua papera izaten da, eta mintz ionikoaren funtzioak betetzen ditu. Elektrolitoa, pila lehorra denez, ZnCl 2 disoluzioz blai dagoen zereal-pasta bat da. Anodoa dopatutako Zn izaten da, eta honako osagai hauek erabiltzen dira: %0.1 Hg eta <%0.1 Cd korrosioaren aurkako erresistentzia handiagotzeko, eta %0.25 Pb bere propietate mekanikoak hobetzeko. Horrela, lortzen den anodoa edukiontzi gisa erabil daiteke, zeldaren geometria hobetuz. 13. irudia. C-Zn pila lehor baten egitura.

22 20 Elektrodo positiboak lau osagai ditu: kolektorea (C), materia aktiboa (MnO 2 ), gehigarri eroalea (karbono-hautsa) eta aglutinatzailea (zereal-pasta, kola edo erretxinak). MnO 2 konposatuak polimorfo asko dauzka; pirolusita ( -MnO 2 ), naturan gehien agertzen dena, ramsdelita eta -MnO 2, besteak beste. Baterietan erabiltzen den manganeso oxidoaren % MnO 2 izaten da. Polimorfo horrek pirolusitaren eta ramsdelitaren bitarteko egitura kristalinoa aurkezten du. 14c) irudian ikusten den bezala, polimorfoaren kanalak besteenak baino handiagoak izaten dira, eta barnean sar daitezke, kopuru txikietan, ioi alkalinoak, lurralkalinoak, Zn, Ni, Al eta H 2 O. a) b) c) 14. irudia. MnO 2 konposatuaren polimorfoak, a) pirolusita ( -MnO 2 ), b) ramsdelita eta c) -MnO 2. -MnO 2 fasea sintetikoa da, eta bi metodoen bidez sor daiteke: bide kimikotik (CMD, Chemical Manganese Dioxide) edo bide elektrokimikotik (EMD, Electrochemical Manganese Dioxide). Metodorik erabiliena EMD da, eta Mn(CH 3 COO) 2 edo MnSO 4 konposatuen oxidazio anodikoaren bidez lortzen da. Karbono-Zink pilak dira merkeenak, eta ezagunenak izan dira orain arte. Egun, aldiz, askoz gehiago erabiltzen dira pila alkalinoak, garestiagoak izan arren, kapazitate handiagoa daukatelako. b) Manganeso-pila alkalinoa Karbono-zink pila lehorraren parekoa da, baina, kasu honetan, elektrolitoa basikoa da eta horregatik deritze «pila alkalinoak». Honako hau da pilaren eskema: Zn(s)/ZnO(s)/KOH(aq)/Mn 2 O 3 (s)/mno 2 (s) Eta honako hauek dira zeldan gertatzen diren erreakzio kimikoak: ANODOA: Zn(s) + 2OH - (aq) ZnO (s) + H 2 O(l) + 2e - KATODOA: 2MnO 2 (s) + H 2 O (l) + 2e - Mn 2 O 3 (s) + 2OH - (aq) ERREAKZIO GLOBALA: Zn(s) + 2MnO 2 (s) ZnO (s) + Mn 2 O 3 (s)

23 irudian ikus daiteke pila alkalino baten egitura. Katodoaren korronte-kolektorea altzairuzko ontzi bat da, nikelezko film batez estalita. Katodoaren material aktiboa MnO 2 da, MnO 2 elektrokimikoa (EMD), hain zuzen ere. EMD toroide-itxurako pastilletan trinkotuta egoten da. Pastilla horiek porotsuak izan behar dira, elektrolitoa sartu eta materia aktiboarekin kontaktuan egon daitezen. Katodoa ontziaren barruan kokatzen da. Bestalde, anodoa zink-hauts gelifikatua izaten da, eta zelda barruan kokatzen da. Gelifikazioak elektrolitoaren sarrera errazten du. Erdian bereizgailua dago, kimikoki inertea, isolatzaile elektrikoa eta ionikoki iragazkorra. 15. irudia. Pila alkalino baten egitura. Pila alkalino bat muntatzeko, lehenik eta behin, osagai guztiak ontzian sartu behar dira eta, gero, elektrolitoz busti (ikus 16. irudia). 16. irudia. Pila alkalino bat muntatzeko eskema.

24 22 Pila alkalinoen eta pila lehorren arteko desberdintasuna elektrolitoa soilik izanik, hobekuntza handia lortzen da. Pila alkalinoak askoz eraginkorragoak dira, deskarga azkarretan bereziki, hau da, korronte altuak erabiltzen diren deskargetan. Erabileraren arabera, pila alkalinoek pila lehorrek baino zazpi aldiz gehiago iraun dezakete, eta deskarga-kurba luzeagoak eta tentsio egonkorragoak erakusten dituzte. 4. taulak erakusten ditu merkatuan agertzen diren bateria horien formatu eta tamaina desberdinak. 4. taula. Pila alkalino komertzialak. Tamaina (Ref. IEC) Pisua (g.) Tentsioa (V) Kapazitatea (mah) Erabilera anitzeko zilindrikoak LR3 (AAA) LR6 (AA) LR14 (C) LR20 (D) Zelda anitzeko sistema prismatikoak 3LR LR Botoi-pilak LR LR LR c) Zink-zilar oxido-pila Elektrolito urtsu bat erabiltzen duten sistemak dira, eta energia altuenetariko bat eskaintzen duten bateriak. Hau da zeldaren eskema: Zn(s)/ZnO(s)/KOH(aq)/Ag 2 O(s)/Ag(s) Eta honako erreakzio hauek gertatzen dira bertan: ANODOA: Zn (s) + 2OH - (aq) ZnO (s) + H 2 O (l) + 2e - KATODOA: Ag 2 O (s) + H 2 O (l) + 2e - 2Ag (s) + 2OH - (aq) ERREAKZIO GLOBALA: Zn (s) + 2Ag 2 O (s) ZnO (s) + 2Ag (s)

25 23 Ag 2 O material katodikoa ez da naturan agertzen. Horregatik, laborategian prestatu behar da. Bi aukera daude katodo hori prestatzeko: 1. Tratamendu bikoitza. AgO monoxidoa bi erreaktibo erreduzitzaile erabiliz erreduzitzen da. Lehenengoa erreduzitzaile motela izaten da, metanola adibidez, eta bigarrena erreduzitzaile gogorra, hidrazina esaterako. Horrela, Ag 2 O-z inguratuta eta kanpotik Ag filmaz estalita dagoen AgO pastilla bat lortzen da. Erdian dagoen zilar monoxidoak polarizazioa gutxiagotzen du, eta kontaktu elektrikoa errazten du gainazalean dagoen zilar metalikozko geruzak. 2. Zilar plunbatoa erabili. Plunbato hau AgO, Ag 2 O, Ag 5 Pb 2 O 6 eta PbO konposatuen nahaste bat da, eta hori lortzeko PbS eta AgO nahasten dira NaOH beroa erabiliz. Material katodiko hori garestia denez, zilarrez eginda dagoelako eta ez delako prestatzeko erraza, pila horiek, normalean, botoi-pila formatuan agertzen dira merkatuan. Bateria horien pisuak nekez gainditzen ditu 2.5 g, eta pareko diseinu eta tamainako pila alkalinoek baino kapazitate altuagoak dituzte. Gainera, beste abantaila batzuk dituzte bateria horiek: - Barne-erresistentzia txikia. - Biltegiratzeko jokaera ona (urtebetez 21º C-tan gorde ondoren, kapazitatearen % 10 baino galera txikiagoa). - Lan-tenperatura tarte handia. a) b) 17. irudia. a) Zink-zilar oxido pila botoi baten eskema eta b) merkatuan dagoen botoi-pila. Bateria horien operazio-tentsioa 1.55 V da (ikus 18. irudia), eta 5. taulan agertzen diren formatuak daude merkatuan.

26 irudia. Zn-Ag 2 O botoi-pilaren eta pila alkalinoaren arteko konparaketa. Ikusten denez, botoi-pilak (SR44 formatua) tentsio handiagoa aurkezten du, eta denbora gehiagoz mantentzen da. 5. taula. Zink-zilar pilen formatuak merkatuan. Tamaina (Ref. IEC) Pisua (g) Tentsioa (V) Kapazitatea (mah) Botoi-pilak SR SR SR SR SR SR d) Zink-aire bateria Bateria hauetan erreaktibo bat gas-egoeran dago eta, beraz, hibridotzat hartzen dira. Honako hau da zeldaren eskema: Zn(s)/ZnO(s)/KOH(aq)/C(s), O 2 (g) Eta honako erreakzio hauek gertatzen dira (ikus 19. irudia): ANODOA: Zn (s) + 2OH - (aq) ZnO (s) + H 2 O (l) + 2e - KATODOA: O 2 (g) + 2H 2 O (l) + 4e - 4OH - (aq) ERREAKZIO GLOBALA: Zn (s) + O 2 (g) ZnO (s)

27 25 Zink-aire bateriek abantaila garrantzitsuak dituzte. Adibidez, katodoaren kapazitatea mugagabea denez, energia-dentsitate altua eta inpedantzia baxua aurkezten dituzte. Gainera, katodoa airea denez, desberdina da bateria horien diseinua. Elektrodo hori pilaren tapa batean kokatzen da, eta kanpoko karkasan zuloak behar dira airea bertatik pasatzeko (ikus 19. irudia). 19. irudia. Zink-aire botoi-pila baten eskema. Karkasaren barnealdean, mintz porotsu eta aire-ganbera batzuk daude. Horrela, airea era homogeneoan banatzen da elektrodotik. Aire-ganbera gainean tefloizko xafla batzuk daude, eta ikatzez itsatsitako nikelezko sare bat dago horien gainean. Bateria muntatuta dagoenean, itxi egiten dira airearentzako zuloak, erabiltzeko mementoa heldu arte. Bateria horiek pisu txikia eta energia-dentsitate handia izaten dute eta, beraz, oso egokiak dira audifonoetan erabiltzeko, adibidez. 20. irudian ikus daitekeenez, markaren arabera desberdinak dira pila horiek erabiltzen dituzten airerako zuloak. 20. irudia. Zn-aire baterietako marka desberdinen zulodiseinuak.

28 irudian erakusten da bateria horien jokabide elektrokimikoa, non deskarga-kurbek 1.3 V- tan oso profil laua aurkezten baitute. Zerbitzu-orduak pasatu eta gero, tentsioa jaitsi egiten da. Anodoan dagoen Zn kopuruaren araberakoak izango dira zerbitzu-orduak. 21. irudia. Zn-aire, Zn-Ag 2 O eta pila alkalino baten deskarga-kurbak. Bateria horiek, Zn-zilar oxido edo pila alkalinoekin konparatuta, zerbitzu-ordu gehiago ematen dituzte, Zn-anodoa normalean baino handiagoa izaten delako. Hau da, aire-katodoa oso fina denez, leku gehiago geratzen da anodoarekin betetzeko. 22. irudian ikus daiteke konparaketa hori. Zelda alkalinoa Zn-aire zelda 22. irudia. Zelda alkalino eta Zn-aire zelda baten arteko konparaketa (botoi-pila formatuan). Zn-aire bateriak botoi-pila formatuan aurkezten dira soilik, eta oso kapazitate handia eskaintzen dute. 6. taulan ikus daitezke botoi-pila ezberdinen ezaugarri batzuk.

29 27 6. taula. Zn-aire botoi-pilen ezaugarri nagusiak. Tamaina (Ref. IEC) Pisua (g) Tentsioa (V) Kapazitatea (mah) Botoi-pilak PR PR PR PR e) Litio-bateriak Atal honetan agertzen diren bateria guztiek litio metalikozko anodoa daukate. Li metalikoak anodo izateko aproposak diren bi ezaugarri aurkezten ditu: 1. Taula periodikoan dagoen metalik arinena da. Hau da, 6.94 g/mol da bere pisu atomikoa. 2. Oxidazio-potentzial altua aurkezten du (E 0 = V). Bi propietate horiei esker, Li metalikoa erabiltzean energia kopuru handiagoa metatzeko gai diren zeldak lor daitezke. Hala ere, Li metalikoaren erabilerak baditu desabantailak ere. Besteak beste: - Li-aren oxidazioak elektroi bakar bat askatzen du kanpo-zirkuitura. - Li metalikoak oso erraz erreakzionatzen du urarekin, eta, beraz, ezin dira elektrolito urtsuak erabili. Horrela, azken arazo horri aurre egiteko, honako hauek dira ikerketa-prozesuan dauden elektrolitoak: - Li-ko gatz disoluzio organikoak (aukera nagusia). - Li-ko gatz urtuak (tenperatura altuak behar dira). - Eroale ionikoak diren polimeroak (Li-ko bateria polimerikoak). - Eroale ionikoak diren material zeramikoak (orain arte ez da material egokirik aurkitu). Li-ko gatz disoluzioak dira, disolbatzaile organiko polarretan, Li baterietan gehien erabiltzen diren elektrolitoak. Hala ere, litio metalikoa ez da oso egonkorra disolbatzaile organikoetan, baina horren azalean sortzen den geruza pasibatzaile bati esker, erabil daitezke disolbatzaile

30 28 horiek. Geruza horrek litioa babesten du autodeskargatik eta, gainera, hori oso fina denez, baxua da bere barne-erresistentzia. 23. irudia. Li-ren azalean agertzen den geruza pasibatzailea eta bere funtzioa. Li metalikoarekin (anodoa) erabiliko den elektrolitoak eroankortasun ioniko altua izan behar du; normalean, elektrolito organikoek urtsuek baino eroankortasun txikiagoa erakutsiko dute (ZnCl 2 (aq), KOH(aq), H 2 SO 4 (aq) ). Gainera, kontuan eduki behar diren ezaugarriak dira elektrolitoaren fusio- eta irakite-puntuak, biskositatea eta katodoarekin bateragarritasuna ere. Bestalde, erabiliko den disolbatzaileak ezin du urik eduki eta erabiliko den gatzak oso disolbagarria izan behar du aukeratutako disolbatzailean, ahalik eta eroankortasun ioniko handiena lortzeko. Oro har, gehien erabiltzen diren elektrolitoak disoluzio hauek dira: LiPF 6 gatza dimetil karbonatotan (DMC) edo dimetoxietanotan (DME). Bestalde, honako hauek dira Li bateria primario horietan gehien erabiltzen diren elektrodo positiboak: - MnO 2 (bateriak ~3 V aurkezten ditu). Deskarga-kurba oso laua dauka eta autodeskarga baxua aurkezten du. Botoi-pila formatuan saltzen da eta tenperatura-tarte zabalean egiten du lan. Deskarga-erreakzioan, LiMnO 2 ekoizten da. - CF x, grafito fluoruro mota bat da (bateriak ~3 V aurkezten ditu). - FeS 2 : bateriak 1.5 V-ko tentsioa aurkezten duenez, pila alkalinoen ordez erabil daiteke. Izan ere, pila alkalinoek baino energia handiagoa ekoizten dute. Katodoan erabiltzen den materiala, burdin disulfuroa, oso mineral arrunta da, pirita, eta honako erreakzio hau gertatzen da deskarga-prozesuan: 4Li + FeS 2 2Li 2 S + Fe - CuO: bateriak 1.5 V aurkezten ditu, baita ere, eta pila alkalinoen ordez erabil daiteke. - I 2 : 2.8 V-ko zelda osatzen du, eta honako erreakzio hau gertatzen da deskarga-prozesuan: 2Li + I 2 2LiI - SOCl 2 (katodo likidoa). - SO 2 (katodo likidoa).

31 29 Litio-bateriak formatu desberdinetan aurki daitezke merkatuan, eta formatu bakoitzak bere abantailak eta desabantailak dauzka. Adibidez, botoi-zeldek gainazal handiko elektrodoak dituzte, eta txikia da horien arteko distantzia. Horrela, txikiagotu egiten da elektrolitoaren eroankortasun-muga efektua. Zilindrikoak diren litio-bateria klasikoak ere badaude, eta diseinu hermetiko berezia behar dute katodoa likidoa dutenek. Hiru formatu horiek agertzen dira 24. irudian. a) b) c) 24. irudia. Litio-baterien formatuak. a) botoi-pila, b) pila zilindrikoa eta c) katodo likidoa duten bateriak. f) Itsasoko urak aktibatutako bateriak (erreserba-zeldak) Bateria hauek magnesiozko anodo bat daramate, eta itsasoko ura erabiltzen dute elektrolito bezala. Biltegiratzean, elektrolito gabe eraikitzen dira bateriak magnesioaren eta elektrolitoaren arteko kontaktua saihesteko. Horrela, itsasoko urarekin kontaktuan jartzean hasten da haien funtzionamendua. Honako hauek dira bateria horien aplikazio aipagarrienak: - Salbamendu-jaka eta txalupak. - Seinalatzeko buiak. - Ekipo ozeanografikoak. - Propultsio-torpedoak. 25. irudia. Itsas urak aktibatutako baterien aplikazio batzuk.

32 Bateria sekundarioak Lehen esan den bezala, bateria sekundarioak dira behin eta berriro karga eta deskarga daitezkeen bateriak, eta bateria primarioena baino luzeagoa da horien balio-bizitza. Honako taula honetan biltzen dira bateria sekundario baten betebeharrak. - Tentsio-lautada egonkorra deskarga osoa bete arte. - Kapazitate espezifiko (Ah/kg) eta energia-dentsitate (Wh/dm 3 ) altuak. - Potentzia grabimetriko (W/kg) eta bolumetriko (W/dm 3 ) onak. - Funtzionamendu-tenperatura tarte zabala. - Energia-eraginkortasun handia. - Ziklabilitate luzea. - Azkar kargatzeko ahalmena. - Autodeskarga baxua. - Gainkargaren eta gaindeskargaren aurreko egonkortasuna. - Fidagarritasuna. - Mantentze-lan gutxi. - Erabilera normala eta, istripu kasuan, segurtasuna. - Osagai merke, ugari eta ez-kutsakorrez eginda egotea, eta birziklatzeko aproposa izatea. Erabileraren arabera, betebehar batzuk besteak baino garrantzitsuagoak izango dira. Hau da, gure telefono mugikorraren bateriak kapazitate espezifiko altua, pisu baxua eta balio-bizitza luzea izan beharko lituzke. Metaketa geldikorrean erabiltzeko, aldiz, parke eoliko batean soberan dagoen energia metatzeko adibidez, baterien pisua eta bolumena ez dira hain garrantzitsuak, bateriak lur azpian edo eraikin baten barruan egon daitezkeelako. Bateria bakoitzaren ezaugarriak kimikaren araberakoak izango dira; 26. irudian erakusten da bateria sekundario nagusien sailkapena energia-dentsitatearen arabera (grabimetrikoa eta bolumetrikoa). 26. irudia. Bateria sekundario nagusiak, haien energiadentsitatearen arabera sailkatuak.

33 31 a) Berun-azido bateria Bateria sekundariorik ezagunena da, XIX. mendetik erabiltzen da, eta ibilgailu-industrian dago bere erabilera nagusia. Honako hau da berun-azido bateria baten eskema: Pb(s)/PbSO 4 (s)/h 2 SO 4 (aq)/pbso 4 (s)/pbo 2 (s)/pb(s) Eta honako erreakzio hauek gertatzen dira elektrodoetan: ANODOA: Pb(s) + HSO - 4 (aq) PbSO 4 (s) + H + (aq) + 2e - KATODOA: PbO 2 (s) + 3H + (aq) + HSO - 3 (aq) + 2e - PbSO 4 (s) + 2H 2 O(l) ERREAKZIO GLOBALA: Pb(s) + PbO 2 (s) + 2H 2 SO 4 (aq) 2PbSO 4 (s) + 2H 2 O(l) Bideo-linka Berun-azido bateria sekundarioaren funtzionamendua (ingelesez) Anodoaren material aktiboa berun metalikozko kristal azikularrez eginda dago. Kristal horiek eroankortasun elektriko ona dute, eta itxura azikularrari esker azalera handia aurkezten dute, erreakzio kimikoa hobetuz. Hala ere, erabilera luzeek esfera-forma eta tamaina handia duten kristalak eragiten dituzte. Gainera, kristalen itxura horrek anodoaren pasibazioa errazten du, PbSO 4 solido-eraketa itzulezinaren ondorioz. Pasibazio hori saihesteko, honako gehigarri hauek erabiltzen dira (%1 pisuan): - Hedatzaileak: azido ligno-sulfonikoaren deribatuak dira; berun metalikoko gainazal-tentsioa gutxiagotzen dute. - BaSO 4 : konposatu hau PbSO 4 rekin isomorfikoa da; horrek PbSO 4 geruza porotsu bat eratzea lortzen du, anodoaren pasibazioa gutxituz. Bestalde, katodoaren material aktiboa PbO 2 da. Oxido horrek bi polimorfo aurkezten ditu: (ronboedrikoa) eta (tetragonala) formak. Bateriaren funtzionamendua ona izateko - polimorfoa erabili behar da, eta termodinamikoki egonkorrena eta ugariena da hori. Gainera, katodoak porotsua izan behar du, bi faktore hauek direla-eta: - Elektrolito likido eta katodo solidoaren arteko kontaktua ahalik eta onena izateko. Era horretan lortzen den korronte elektriko dentsitatea ona da. Adibidez, ibilgailu baten bateria tipiko batean, m 2 /Ah tartean dago katodoaren gainazala. - Erreakzioan sortzen den PbSO 4 solidoak PbO 2 ak baino bolumen handiagoa dauka eta, beraz, katodoaren espantsioak elektrodoa hondatuko luke poro hutsik gabe. Bi elektrodoen material aktiboa pasta moduan prestatzen da, berun metaliko hautsa (% 40 baino gehiago izaten da), berun oxido hautsa, ura eta azido sulfurikoarekin nahastuz. Pasta hori sare batean mantentzen da. Bi elektrodoen konposizioa berdina denez, beharrezkoa da

34 32 hasierako karga-prozesua berun oxidoaren kontzentrazioa katodoan handiagotzeko eta berun metaliko proportzioa anodoan handitzeko. Bateriak funtzionamendu normala aurkezten du formazio ziklo horretatik aurrera. Elektrodoak mantentzeko erabiltzen diren sareak berunezkoak izaten dira, baina gehigarri batzuk gehitzen dira propietate mekanikoak hobetu eta korrosioari aurre egiteko. Gehigarriak Sb, As, Ca eta Sn izaten dira. Elektrolitoa azido sulfuriko eta ur nahasketa bat izaten da (normalean, H 2 SO 4 % 40 pisuan erresistentzia elektriko baxua ziurtatzeko). Elektrolitoa azidoa denez, bateriaren ontzia plastikozkoa izaten da. Gainera, deskarga-prozesuan elektrolitoa kontsumitzen denez, elektrolitoaren dentsitatea kontrolatuz bateriaren karga-egoera jakin daiteke. 27. irudian erakusten da berun-azido bateria baten deskarga-prozesua, deskarga-abiadura desberdinak erabiliz. 27. irudia. Berun-azido bateria baten deskarga-kurbak, korronte elektriko desberdinak erabiliz. Irudi honetan, erabiltzen den korrontearen menpe daudela ikus daiteke bateriaren kapazitatea eta lan-tentsioa, eta polarizazioak eragin handia dauka azken parametro horretan.

35 33? Ba al zenekien? Historian 100 km/h abiadura-muga gainditu zuen lehenengo autoa elektrikoa zen, eta berun-azido bateriak erabiltzen zituen. 100km/hko abiadura-muga 1899an gainditu zen Yvelines herrian, Parisetik gertu. Autoak, torpedo itxurarekin, «Le jamais contente» zeukan izena («Asegabea») eta gidariaren emazteari eskainia omen zegoen. Camille Jenatzy-ri, autoaren gidariari, abiadura-errekorrak gainditzea gustatzen zitzaion eta, ilegorria zenez, «deabru gorria» esaten zioten. Bideo-linka Le Jamais Contente b) Ni-Cd bateria Bateria hauek oso erabiliak izan dira iraganean, telebistaren urrutiko agintean edo autoen larrialdi-argietan adibidez (ikus 28. irudia), baina gaur egun ez dira ia erabiltzen duten memoria-efektuagatik eta kadmioa oso toxikoa delako. Honako hau da bateria horien eskema: Cd(s)/Cd(OH) 2 (s)/koh (aq)/ Ni(OH) 2 (s)/niooh(s) Eta honako hauek dira zeldan gertatzen diren erreakzio kimikoak: ANODOA: Pb(s) + HSO - 4 (aq) PbSO 4 (s) + H + (aq) + 2e - KATODOA: PbO 2 (s) + 3H + (aq) + HSO - 3 (aq) + 2e - PbSO 4 (s) + 2H 2 O(l) ERREAKZIO GLOBALA: Pb(s) + PbO 2 (s) + 2H 2 SO 4 (aq) 2PbSO 4 (s) + 2H 2 O(l) Baldintza estandarretan, 1.3 V-koa da bateria horien tentsioa. 28. irudia. Ni-Cd pilen aplikazio batzuk.

36 34 c) Litio-bateriak Li bateria primarioetan aurkeztu den moduan, litio metalikoa oso aukera interesgarria da anodoan erabiltzeko, bereziki, duen pisu baxu eta oxidazio potentzial altuagatik. Hala ere, oso erreaktiboa denez, Li metalikoz egindako zeldak atmosfera lehorrean prestatu behar dira, eta zelda horietan erabiltzen diren elektrolitoak ezin dira urtsuak izan. Esaterako, LiPF 6 dimetoxietano edo dimetilo karbonatoan disolbatutako gatza da gehien erabiltzen den elektriloetako bat. Li bateria sekundarioetan, elektrolitoan dauden Li + ioiak erreduzitu eta Li metaliko gisa ezartzen dira elektrodo negatiboan kargan zehar. Hala ere, fenomeno hori ez da uniformeki gertatzen, eta, Li metalikoa ezartzean, dendrita izeneko «adar» batzuk eratzen dira anodoaren azalean. Horrela, dendrita horiek zeldaren bereizgailua apur dezakete, eta zirkuitulabur bat eragin. Litio metalikoaren beste arazo bat da elektrolitoarekiko duen ezegonkortasuna. Li bateria primarioetan sortzen den pasibazio-geruza desegin egiten da deskarga bukatzean, baina bateria sekundarioetan berriro eratu behar da kargatzean. Li metala etengabe ezartzeak pasibazio-geruza eratzea sustatzen du, baina prozesu horretan material aktiboa galtzen da eta, gainera, gehiegizko beroketa eta su-arriskua sortzen dira. Li metalikoaren erreaktibotasun handiak segurtasun-arazoak sortzen dituenez, Li bateria sekundarioak ez dira elektrolito likidoekin erabiltzen, elektrolito solidoekin baizik; adibidez, eroale ionikoak diren polimeroekin. Bateria horien aplikaziorik garrantzitsuena Parisen dagoen Autolib auto-sarea da. Paris eta Îlede-France zonaldeetan alokatzen diren auto elektriko sare bat da hori. Programa honen helburua hiriko zirkulazioa iraunkorragoa izatea denez, auto horiek guztiz elektrikoak dira eta edonork erabil ditzake arrazoizko prezioan, txartel baten bidez. Hirian zehar banatuta daude haientzako aparkaleku bereziak, entxufeekin hornituta. 29. irudian agertzen dira Autolib auto baten eskema eta argazkia. a) b) 29. irudia. a) Autolib baten eskema eta b) Autolib bat Pariseko kale batean kargatzen. Autolib autoaren ezaugarri nagusiak jasotzen dira honako taula honetan:

37 35 7. taula. Autolib autoaren ezaugarri nagusiak. Tamaina eta pisua Luzera Zabalera Altuera 3.65 m 1.70 m 1.61 m Maletategiko bolumena 350 dm 3 Pisua 1120 kg Motorizazioa eta bateria Potentzia maximoa Potentzia nominala Bateria 50 kw 35 kw BatScap Litio Metal Polimerikoa 30 kw Funtzionamendua Abiadura maximoa Azelerazioa 130 km/h (elektronikoki mugatuta) 0 km/h-tik 60 km/h-ra 6.3 segundoan pasatzen da Autonomia Hirian 250 km Hiritik kanpo 150 km Garraio-sistema berri honen helburu nagusia da CO 2 igorpenak % 20an gutxiagotzea. Gainera, ibilgailu horiek ez dute atmosferara partikularik askatzen. Bestalde, 3000 Autolib programaren bidez, etorkizunean ibilgailu pribatu gutxiago egongo direla kalkulatu da. Horrela, CO 2 kopurua gutxitzeaz gain, trafiko-arazo ugari ere konponduko lirateke. Lehen esan bezala, auto horien bateriaren osagai guztiak (elektrodoak eta elektrolitoa) solidoak dira, Li metalikoak sor ditzakeen segurtasun-arazoak saihesteko. 30. irudian agertzen dira Autolib-ek erabiltzen dituen bateria baten eskema eta argazkia. 30. irudia. Autolib-ek erabiltzen duen bateria (LMP, Lithium Metal Polymer). Autolib proiektua berritzailea da munduan, eta horren helburua da etorkizunean garraio mota horretan oinarritutako hiriak eraikitzea. Bideo-linka Kotxe elektriko eta hibridoaren funtzionamendua (ingelesez)

38 36 d) Litio-ioi bateriak Litio-ioi baterietan erabiltzen diren anodoa eta katodoa tartekatze-konposatuak dira. Hau da, elektrodoak osatzen dituzten materialak gai dira Li + ioiak ateratzeko eta tartekatzeko. Horrela, Li + ioiak elektrodo batetik bestera mugitzen dira, kulunkaulki batean bezala. Horregatik «kulunkaulki-bateriak» edo «rocking chair batteries» esaten zaie. Era horretan, Li metalikoaren arazoak saihesten dira, baina, horrelako zelda batek tentsio erabilgarria izateko, handia izan behar da bi elektrodoen arteko egonkortasun-tentsio aldea. 31. irudia. Kulunkaulki-bateria baten eskema. Ikusten den bezala, bai katodoa, bai anodoa gai dira Li + ioiak ateratzeko edo tartekatzeko. Normalean, ikatza izaten da gehien erabiltzen den anodo material aktiboa, bai grafito moduan, bai karbono amorfo moduan (petrolio-kokeak). Grafitoak tartekatze-propietateak aurkezten ditu, hau da, grafito orrien artean sar daitezke espezie eak edo espezie hartzaileak. Lor daitekeen litio-konposiziorik ugariena LiC 6 da, hau da, litio atomo bat karbono hexagono bakoitzeko, eta honako erreakzio hau gertatzen da: xli + C 6 Li x C 6 (x 1) Hala ere, gertatzen den lehenengo erreakzioa erreakzio kimiko itzulezina da, eta 0.8 V-tan aurkezten da hori. Uste denez, erreakzio itzulezin horrek geruza pasibatzaile baten sorrerarekin dauka zerikusia. Geruza horri SEI deritzo (Solid Electrolyte Interfase) eta karbono, litio eta elektrolitoaren arteko erreakzioaren ondorioz gertatzen da. SEIk honako ezaugarri hauek aurkezten ditu: - Ioi eroalea da. - Elektroi ez-eroalea edo isolatzailea da. - Karbonoaren azalera babesten du beste erreakziorik gerta ez dadin. ADI!! Bateria eraikitzeko mementoan, kontuan eduki behar da SEIa sortzeko kontsumitzen den material katodikoa.

39 37 Bestalde, katodoaren kasuan, LiCoO 2 konposatua izan da bateria komertzialetan gehien erabili den material aktiboa. Materiala deskargatua dago (erreduzitua) hasierako egoeran, eta honako erreakzio hau gertatzen da: LiCoO 2 Li 0.55 CoO Li e - Erreakzio honetan, gehienez mugi daitekeen litio-ioi kopurua 0.45 Li + da, bestela apurtu egingo litzatekeelako konposatuaren tartekatze-estruktura. Hori ekiditeko, bateria ez litzateke 4.2 V-tik gora kargatu behar. LiCoO 2 eta grafitoz osaturiko bateria batek (LiPF 6 gatza elektrolito organiko batean disolbatua) 3.7 V-eko tentsioa ematen du, eta 32. irudian ikus daiteke horren funtzionamendua. LiCoO 2 konposatua oso eroalea ez denez, beharrezkoa da karbonoarekin nahastea, eta aglutinatzaile edo binder bat erabiltzen da nahasketa ondo trinkotu dadin (polimero bat normalean). 32. irudia. LiCoO 2 grafito karbonoz osaturiko kulunkaulki-bateria baten eskema. Orain arte, grafito anodoa eta LiCoO 2 katodoa izan dira mugikorretan edota ordenagailu eramangarrietan gehien erabili izan diren bateriak; baina, gaur egun, beste material batzuk ari dira ikertzen energia metatzeko gaitasun handiagoa, potentzia energetiko gehiago, kostu baxuagoa eta bateriaren iraupen luzeagoa lortzeko asmoz. Horrela, anodoaren kasuan, titanio oxidoak, litio aleazioak edota konbertsio anodoak ikertzen ari dira. Katodoaren kasuan, aldiz, kobaltoa erabiltzen uzteko asmoz, ikertzen ari dira toxikoak ez diren metalekin egindako konposatuak, adibidez, LiMn 2 O 4 -a edo LiFePO 4 -a. Material horiek guztiek etorkizun handikoak dirudite, baina oraindik desabantaila garrantzitsuak dituzte. Horretaz aparte, interesgarria litzateke, baita ere, elektrolito organikoen erabilera gutxitzea, horien egonkortasun-tentsio tarte estua, sukoitasun altua eta toxikotasuna direla eta. Horretarako, mintz polimeriko inerteen erabilera ikertzen ari da, eta baita likido ionikoena ere. Bideo-linka Li-ioi bateria sekundario baten deskarga- eta karga-prozesua (ingelesez)

40 38 e) Litio-polimeroa Li-polimero bateriak modu laburtu honetan ere ezagutu daitezke: Li-poly, Li-Pol, LiPo, LIP edo PLI. Horiek ere litio-ioi bateriak dira, baina kasu honetan erabiltzen duten elektrolitoa ez da disolbatzaile organiko bat, baizik eta material polimeriko bat. Polimeroen eroankortasun ionikoa zona ez-kristalinoetan gertatzen da soilik; beraz, beharrezkoa da kristalinitatea baxua izatea. Horretarako, adar monomeroak edo kopolimeroak erabiltzen dira. Honako hauek dira litio-polimero baterien abantaila aipagarrienetako batzuk: - Elektrolito geruza oso finak lor daitezke polimeroekin eta, ondorioz, mikrobateriak eta bateria malguagoak lor daitezke. - Elektrolitoaren lodiera txikiagoek ioien difusio-distantziak murrizten dituzte, eta, horrela, zertxobait hobetu egiten da polimeroen eroankortasun baxua. - Elektrolitoa likidoa ez denez, ez dago karkasa metaliko baten beharrik, eta, beraz, bateriak arinagoak dira eta forma desberdinak har ditzakete. - Bateria polimerikoen energia-dentsitatea gaur egungo litio-ioi bateriena baino % 20 handiagoa da. ADI!! - Litio-bateriek litio metala erabiltzen dute anodoan. - Litio-ioi bateriek litioa daraman katodo bat daramate, eta litio-ioia da katodotik anodora doan espeziea. - Litio-polimero baterietan, katodoa litioa daraman konposatu da baita ere, baina kasu honetan elektrolitoa polimero solido bat da (normalean, likido ez-organiko bat izaten da). f) Ikertzen ari diren bateria berriak Honako bateria hauek oraindik garapen fasean daude, baina momentuz emaitza interesgarriak lortzen ari dira laborategi-mailan. 1. Li-aire bateriak Elektrolito organiko edo urtsu bat erabil dezakete. Organikoen kasuan, egonkortasun, eroankortasun eta lurrunkortasunarekin arazoak agertzen dira, eta elektrodoek desabantaila batzuk aurkezten dituzte. Anodoa litio metalikoa denez, dendritaarazoak izaten ditu; katodoan, aldiz, mintz baten beharra dago oxigeno ez diren konposatuak airetik separatzeko. Elektrolito urtsuen kasuan, segurtasun-neurriak handitu egin behar dira litio metalikoaren eta uraren arteko kontaktua saihesteko.

41 39 2. Li-S bateriak Kasu honetan, airearen ordez sufrea erabiliko litzateke katodo. Sufrea merkea eta ugaria da, baina arazoak ere badakartza; adibidez, Li 2 S ezartzea anodoan, edota sufrearen eroankortasun elektroniko baxua katodoan. Teorian, energia metatzeko kapazitate handia daukaten bateriak dira. 3. Na-S bateriak Litioa baino ugariagoa eta merkeagoa da sodioa. Hala ere, kasu honetan, bateriaren materialak urtuak daude, eta, horretarako, 250 ºC inguruko tenperaturak behar dira. Horrek kostuak igotzen ditu, eta garrantzitsuak dira kontuan eduki beharreko segurtasun-neurriak ere. 4. Na-MCl 2 bateriak Bateria hauek Hego Afrikan asmatu ziren eta ZEBRA (Zero Emission Battery Research Activities) izenarekin ezagutzen dira. Na-S baterien antzekoak dira, eta, oro har, metala (M) nikela izaten da. Hala ere, ez dirudi oso etorkizun handikoak direnik. 5. Erredox fluxuzko bateriak Bateria hauetan, mintz batez bananduak dauden bi elektrolito nabari dira. Elektrolito bakoitzak erredox bikote disolbagarri bat dauka, eta mintz-ioiak selektiboki bereizten ditu. Erredox fluxuzko bateriarik ezagunenak banadiozkoak dira. V +2 /V +3 bikotea anolitotik mugitzen da, eta V +4 /V +5 bikotea, aldiz, katolitotik. Erredox fluxuzko bateriek desabantaila ugari izaten dituzte, bereziki, likidoa mugitzeko behar diren ponpekin eta mintzarekin erlazionatuak. 6. Sodio eta sodio-ioi bateriak Sodio metaliko eta sodio-ioi baterien funtzionamendua teorikoki litio metaliko eta litio-ioi baterien antzekoa da, hurrenez hurren. Hala ere, sodioaren tamaina litioarena baino handiagoa da, eta, beraz, diferentzia ugari nabari dira erreakzio eta estruktura aldetik. Hala ere, sodioa litioa baino ugariagoa eta merkeagoa da, eta, gaur egun, baterien ikerkuntzaren foku garrantzitsuenetako bihurtu da. Material hauen helburu nagusia da, sodio-ioiena batez ere, energia-metaketa geldikorra, ezin baitute lehiatu gailu elektronikoetan erabiltzen diren litio-ioi bateriekin.

42 40 ARIKETAK 1. Doitu honako erreakzio hau: Cu + HNO 3 NO + Cu(NO 3 ) 2 + H 2 O Erantzuna: 3Cu + 8HNO 3 2NO + 3Cu(NO 3 ) 2 + 4H 2 O 2. Doitu honako erreakzio hau: H 2 SO 4 + NaI H 2 S + H 2 O + I 2 + Na 2 SO 4 Erantzuna: 5H 2 SO 4 + 8NaI H 2 S + 4H 2 O + 4I 2 + 4Na 2 SO 4 3. Marraztu honako pila voltaiko hau: kobrezko eta zilarrezko elektrodoak CuSO 4 eta AgNO 3 disoluzioetan murgilduta, hurrenez hurren. Jakina da kobrezko elektrodoa anodoa dela Idatz itzazu elektrodoetako erdi erreakzioak eta pilaren erreakzio osoa, eta adierazi elektroi-fluxua Idatzi pilaren notazio laburtua. Erantzuna: 3.1. Anodoa (oxidazioa): Cu(s) Cu e -, Katodoa (erredukzioa): Ag + + 1e - Ag(s), Erreakzio globala: Cu(s) + 2Ag + Cu Ag(s). Elektroiak anodotik katodora doaz Cu/Cu 2+ //Ag + /Ag.